谈常见现象中的化学知识

凯比力努·阿巴斯

摘要：化学作为当代工业顶梁柱之一，起着极为重要的作用。本文以举例方式，解释氢键，氢键的作用和影响水密度的因素;以通俗易懂的语言解释碳14测年法;以简单又有趣故事，表述磷元素的发现等等。本文的目的是让人们重新感觉到周围的“化学”。

关键词：化学;氢键;碳14;衰变;化学史

在古代，化学具有非常神秘的色彩，如，在西方，化学的鼻祖可能是炼金术;在我国，化学的鼻祖可能是炼丹术。无论如何，从古到今，化学一直影响着人类的生活，从开始用火的古代，到使用各种人造物质的当代，化学的贡献在其中起了很重要的作用。

一、飞机在万米高空运行，可飞机上没有氧气瓶。

人飞机上竟然没有氧气瓶，因为飞机上的设备里是氧气吗？飞行开始前的安全演示将你把脱落的氧气面罩往下拉才开始供氧，是因为在你座椅上方挡板内有个圆柱形的应急氧气发生器，里面装着氯酸钠和铁粉混合物，当你往下拉滤罩时，拉动档杆释放针尖使其打到盖子上点燃炸药，并开始化学反应，生成可供呼吸的氧气。所以以上的你是使用不同物质燃烧后产生了化学反应生成物来为乘客们提供氧气。

二、冰浮在水面，其实是一个反常现象。

冰浮在水面，这是一个在正常不过的现象。可你是否想过一个问题：同一种物质的固体密度大于液体密度，为什么水如此与众不同？

固态的水密度小于液态水，所以并能浮在水上，这其实是一个很反常的现象。正常情况下，同一种物质的固体密度比液体大，将固体投入到液体中会沉下去。为什么固态的水能浮在液态水上面？原因在于氢键水分子内部的电荷是不平衡的水分子中的氢原子略带正电，会与其他水分子中带负电的氧原子相互吸引这种结合方式。叫做氢键，冰就是水分子通过氢键结合在一起形成的结晶。在这种构造中，空间利用效率是很低的。为了是微观结构整齐有序，水分子之间的距离反而变大了，就像是一群做广播体操的学生，每个人都有自己固定的站位，但像无间隔的挺远，当固态水融化为液态水，一些氢碱断裂，这种镂空的结晶构造会被破坏，大的缔合水分子减少小。小的底和水分子和单个的水分子增多，单个的水分子可以随意移动，还可以钻进大的底和水分子中间，所以水分子相互间隔缩小。这就像是一群学生做完操自由走动，虽然都在动，但因为聚在一起推搡打闹，相互间的距离反而更近，所以水的密度才会大于冰的密度。

有两种作用在影响着水的密度，一种作用是氢键断裂，导致单个水分子的比例越来越高，水分子越来越密集，因而水的密度越来越大。第二种作用是水分子的运动速度，随着温度提高而加快，使得分子间的平均距离加大，密度减小，在零摄氏度到四摄氏度时，第一种作用更明显，所以水会出现反常膨胀，粗略说就是热缩冷胀。而到四摄氏度以后，第二种作用更明显，水的密度随温度升高而减小，也就是热胀冷缩。

三、浅谈碳14测年法

直到距今几千年，几万年，还是几十亿年的，都能查出来。最具代表性的碳14测年法，在地球大气外层的氮14，会被宇宙射线辐射成有放射性的碳14，有放射性的原子都会衰变。碳14的半衰期是5730年。什么意思呢？就是一堆儿碳14，每5730年就剩为原来的一半，释放电子的衰变，因为另外的半堆变回氮14了。问，等我们发现，原本一堆的碳14，现在只剩下原来的1/4堆了，那么距离原来的一堆儿碳14过了多久呢？1/2乘以1/2等于1/4，是11460年。由于宇宙射线与碳14自身的衰变基本保持平衡。所以地球上的碳14的丰富程度基本保持不变。现在每个活着的生命身上的碳14比例也是如此。但当生命一旦结束了，就没有了新陈代谢或者光合作用维持体内碳14的能力了。因此碳14含量也会逐年减少，通过半衰期就可以知道这个生命死了多久。不过碳14测年法也有局限，只对5万年以内的测量具有一定的准确性，因为十个半衰期之后，碳14就太少了。

四、磷元素的发现

尿液是废物，但它含有一种非常珍贵的成分，其中最受欢迎的就是尿素。尿素是一种无色无味的高氮化合物，尿素分解后会形成。氨水是一种有刺激性气味的天然漂白剂，就是古罗马人为什么会收集尿液来漂白他们的长袍，甚至他的牙齿。收集人类的动物尿液的做法至今仍在。墨西哥的一个小镇，尽在过年期间就收出了4500升尿液，并通过出售他们获得了一笔可观的利润。时至今日，尿素广泛用于化妆品，洗洁精甚至。然上色，它还是植物的天然养料，但尿液没有危险的一面。17世纪的炼金术士汉尼·布兰德，本来想从自己尿液中提取黄金，结果意外发现了零，他发现磷燃烧是不发热也不引燃其他物质，是一种冷光，它就以冷光的英文开头命名这个新物质为P，结果这物质被用在了火柴上，虽然没有拿到黄金，但是造福了当时的人们。

五、探究燃烧现象，发现氧气

氧气的发现在化学史上具有里程碑的意义，氧气的发现为化学，为近代自然科学具有重大意义。再正常不过的燃烧现象中，一个药剂师发现了氧气，当时，他把新发现的这个气体命名为活空气。

1775年，一个瑞典药剂师对物质的燃烧现象产生了浓厚的兴趣。有一天，他在空玻璃瓶中放入了一块儿毅然的林，塞上瓶塞，然后从皮外加热，使磷燃烧在烧瓶钢梁，立刻把瓶子倒扣进水中，并拔出深色。这时，怪事发生了，水充满烧瓶体积的1/5以后，水面不再上升。药剂师对这件事迷惑不解。既然燃烧中用到了1/5的空气，那么剩下的4/5的空气为什么不消失？难道瓶里剩下的空气跟那些在燃烧中消失的空气不一样嘛？为了证实自己的判断，他又做了一连串实验。在双剩下的空气中放些蜡烛，结果是蜡烛立即熄灭，很快变黑，然后他要把几只老鼠和苍蝇，蚊子里面苍蝇和老鼠也很快死了。如此，他觉得空气是由4/5的死空气，1/5的活空气组成的，它称为火焰空气。活空气其实就是现代说的氧氣。它是世界上第一个发现氧气的人，叫舍勒。

当然，本文目的是吹捧化学对人类的贡献或吹捧科学家，而是让人们感受到人类周围的化学与化学知识。科学史告诉我们，简单而不起眼的现象中往往隐藏着巨大的智慧与发现。

参考文献：

徐建中，马海云等著《化学简史》.科学出版社.2019，05.